卫星气象学 第四章卫星云图资料的接收和处理
《卫星气象》学习资料：Ch4_卫星观测及其资料的接收和预处理
3)卫星斜视时的地面分辨率
l R
sin sin
S
l2 h2
S '
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
2、灰度分辨率或温度分辨率
在红外云图或可见光云图上，如果相邻两个邻接瞬时 视场的反照率或温度相同，其色调也相同，这就会无法区 分它们。但是是当这两个瞬时视场内目标物的温度或反照 率有差异，并达到一定数值时，这两个视场就能被分辨， 这个能被分辨的最小温度差或反照率差值称为灰度分辨率 或温度分辨率。
5、探测度D和探测灵敏度D
探测度表示每瓦辐射功率所能获得的均方根信号噪声 电压比，它是NEP的倒数。
D 1 NEP
探测灵敏度表示单位面积为1cm2，带1宽为1GHZ时的探
测度，即
D
D(Ad f
1
)2
Vs ( Ad f Vn EAd
)2
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
垂直轨道方向
卫星轨道方向
(b) (a)
(c)
(C)线性阵列探测器前推式扫描
(d)
(d)圆锥扫描
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二、卫星仪器的技术参数
1、响应度和光谱响应函数 响应度：是指每单位输入功率的探测器的输出大小， 即为输出信号电压与入射功率之比。
2、信噪比 信号与噪声之比，定义为
卫星气象学实习报告-卫星资料处理及显示
姓学院专1.实习目的1)云图数据读入并绘图2)设计云图增强层次。
自定义色标；RGB配特定颜色3)对云图进行多种增强处理，并对比增强前后的差异2.实习方案1）准备工作。
把文件夹satellite-practise中的如下文件拷贝到“Matlab\work\”目录。
以上文件说明如下：satellite_data.mat % 卫星数据以matlab mat格式存放数组形式colormap_user_define.m % 用户自定义的色标子程序practise .m %本次实习要使用的主程序bt.txt %卫星数据中的亮度温度数据longitude.txt %卫星数据中与bt.txt所对应的经纬度位置数据latitude.txt %卫星数据中与bt.txt所对应的经纬度位置数据2）启动matlab 和实习主程序。
点击“打开”则看到主程序。
程序解读: 见程序注释。
3）读入卫星数据并绘图。
读入卫星数据可以使用以下两种方法之一来实现。
（1）方法一: 使用fopen和fscanf等函数读入“.txt”文件中的数据。
（2）方法二：使用load语句读入“.MA T”文件中的数据。
4）增强处理与效果比较程序中可修改的程序段:（1）用自动色标时的语句为set(gca,'CLim',[200 300]); %色标的范围可以改变[200 300], 但为了对比, 程序中前后三段要一致。
（2）自定义色标时的语句为:levels=200:10:300; % every 10 K one color;可调整其中的数字“10”。
“10”表示在亮温度[200 300]区间内每10 K改变一种颜色。
（3）用RGB配色时: 把图像像素值除以像素值最大值255得到归一化图像，故各种颜色只能在0-1内变化。
RGB配色规则举例如下：1 0 0 表示红色0 1 0 表示绿色0 0 1 表示蓝色1 1 1 表示白色0 0 0 表示黑色0.5 0.5 0.5 表示灰色下面是一个RGB调色表：[ 0 0 0.60 0 1.00000 1.0000 1.00000 0.6 00 1.0000 01.0000 1.0000 01.0000 0.6000 00.8000 0.4000 01.0000 0 00.6000 0 00.6000 0 0.60001.0000 0 1.0000 ]其中每种颜色均可调(包括不同程度的灰色)。
《卫星气象》学习资料：Ch3_卫星接收的辐射与辐射在大气中的传输
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
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定义源函数（source function； J ）：
J
j k
因此，我们得到
dL
k dz
L
(z)
J
(z)
（3.1）
这就是不加任何坐标系的普遍的辐射传输方程，它是讨论 任何辐射传输过程的基础。
L ( ;,) L (0;,)e /
0
J
(
';, )e(
')/
d '
（3.6）
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（3）有限大气层顶和底处向上和向下的的辐射亮度
I (0; ,)
I (0;,)
0
I ( ; ,)
'
I ( N ; ,)
I ( ;,) I ( N ;,)
' • • •
N
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
气象卫星影像处理与应用
气象卫星影像处理与应用第一章：引言气象卫星是指在地球轨道上运行，主要用于气象探测、气象监测和气象预报的人造卫星。
气象卫星可以提供高空大范围的信息，为气象预报和自然灾害情况的监测提供了非常重要的数据。
在气象卫星中，卫星影像是最为常见的数据形式。
随着计算机图像技术的不断提升，气象卫星影像处理也在不断的完善和发展，并广泛应用于气象预报、环境监测、农业、水资源管理等领域。
本文将针对气象卫星影像处理和应用展开讲解，包括气象卫星影像处理流程、影像处理技术、气象卫星影像在气象预报、环境监测、农业、水资源管理等方面的应用。
第二章：气象卫星影像处理流程气象卫星影像处理流程主要包括数据预处理、影像增强、影像分类、遥感信息提取等步骤。
（一）数据预处理气象卫星数据采集回传的过程中，数据可能存在噪声、数据丢失和图像畸变等问题，因此需要进行数据预处理。
数据预处理包括数据空间分布均衡、运动补偿和频率域滤波等。
（二）影像增强影像增强是一种图像处理技术，在气象卫星影像处理中起到了至关重要的作用。
影像增强可以增加图像的对比度、清晰度和鲜艳度，从而更好地提供气象信息。
常见的影像增强技术包括直方图均衡化、分段线性变换、非线性拉伸等。
（三）影像分类气象卫星影像分类是指将影像中的不同部分区分出来，并标记成不同的类别。
影像分类可以提供图像中不同区域的信息，有利于气象预报和自然灾害的监测。
常用的影像分类技术包括基于像素和基于目标的分类方法。
（四）遥感信息提取遥感信息提取是指从遥感数据中提取有用的地理信息。
在气象卫星影像处理中，遥感信息提取是非常重要的，它可以提取出气象要素，如云、水汽、温度等信息。
常见的遥感信息提取方法包括图像分割、特征提取和分类等。
第三章：影像处理技术影像处理技术是气象卫星影像处理中的重要技术支撑，它包括数字图像处理技术、计算机视觉技术和机器学习技术。
（一）数字图像处理技术数字图像处理技术是指通过数字计算机进行图像处理的技术。
卫星云图
谢谢观看
可见光卫星云图利用云顶反射太阳光的原理制成，故仅能于白昼进行摄影。可见光卫星云图可显示云层覆盖 的面和厚度，比较厚的云层反射能力强，在可见光卫星云图上，会显示出亮白色，云层较薄则显示暗灰色，还可 与红外线卫星云图结合起来，做出更准确的分析。
可见光云图，是气象卫星上的扫描辐射计（早期用的是电视摄象机）用可见光通道感测并向地面站发送的卫 星云图，图上亮度明暗反映了云的反照率的强弱。可见光云图在研究云团、云系等的移动和发展方面，在监测台 风和其他天气系统的发生、发展及移动方面，均获得广泛应用，并取得较好成效。但由于云图是利用可见光波段 所拍，其亮度和色调取决于云的性质和太阳高度角，同肘夜间又拍不到，故受到一定的限制。
卫星云图是地面接受到的来自气象卫星的云况图片。按气象卫星飞行的轨道，可分为极地轨道气象卫星云图 和对地静止轨道气象卫星云图两种。前者连续的图片是不同地点上的云况；后者连续的图片代表卫星下方同一范 围云的连续情况。按气象卫星取得云况的仪器不同，可分为可见光卫星云图和红外卫星云图。
分类
红外线
可见光
红外线卫星云图利用卫星上之红外线仪器，来测量云层之温度。其中，温度低的云层会以亮白色来显示，也 就是此处的云层较高，而暗灰色的部分则代表云层高度较低，因为越接近地面的云层温度越高。简单而言，即以 云顶的不同温度来判断云层的高度。
分辨率
图像资料的分辨率高低是衡量卫星云图质量高低的一个重要指标。按照卫星上电视照相机的精度和扫描辐射 仪观测的瞬时视场大小，分成低分辨率和高分辨率云图两种。分辨率高，云中细小结构能表示出来。第三代业务 卫星的可见光和红外扫描辐射仪的分辨率都是 1.1公里。在1972年以前极轨气象卫星分辨率低，可见光和红外通 道的分辨率分别是4公里和8公里。
第二章卫星资料的获取、接收和处理
5、输出装置：
将处理好的信号送给天线发射或记录到 磁带记录器上。
二、卫星探测的分辨率
• 卫星探测仪器的分辨率是指从卫星上能区 别两个相邻物体的能力．或者是能分清两 个物体的最短距离。 • 如果两个物体间距离小于卫星探测分辨率， 则这两个物体不能被分辨。 • 表示卫星探测分辨率的参数有三个：空间 分辨率、温度分辨率（灰度分别率）和时 间分辨率。
1、空间分辨率
• 是指卫星在某时刻观测到地球的最小面积 亦即指遥感图像上能够详细区分的最小单 元的尺寸和大小，是用来表征影像分辨地 面目标细节能力的指标。 • 目前比较通俗的说法就是像元的大小，比 如TM影像是30米，Spot5的分辨率是5米或 者10米等。
IKONOS（艾科诺斯）卫星可提供高 清晰度且分辨率达1米的卫星影像
一、先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR） 先进的甚高分辨率辐射计是第二代业务 卫星甚高分辨率辐射计（VHRR）的改进型， 一般由光学系统、探测器和信息处理系统 组成，其中光学系统有一个旋转扫描镜、 望远镜系统和后继望远镜系统组成。
先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR）
• 甚高分辨率辐射计的改进型的主要特点是 观测的通道有五个，分别为： Ch1：0.58-0.68μm， Ch2：0.725-1.1μm， Ch3：3.55-3.93μm， Ch4：10.5-11.3μm， Ch5：11.5-12.5μm。
• 从光学仪器制造业上，本仪器具有多种先 进性可供借鉴和学习。 • 成像观测分辨率和精度较高：中分辨率成 像光谱仪有36个光谱通道，２个通道空间 分辨率高达250米，５个通道空间500米， 分别是ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ数据空间分 辨率的18倍和5倍。
第一张ＭＯＤＩＳ合成图 （由两张Terra卫星、一张Aqua卫星合成）
兰州大学《卫星气象学》第4章美国气象卫星观测系统1ATrainPPT课件
《卫星气象学》电子课件（第一版）
14
CloudSat卫星简介
CloudSat卫星作为卫星集群的一员于2006年4月28日发射成功。 CloudSat卫星的主要仪器由美国航空航天局喷气动力实验室和
加拿大航天局共同研制，美国鲍尔航天技术公司负责卫星主体 的建造、测试和组装，并执行CloudSat卫星的发射和最初的入 轨测试。
《卫星气象学》电子课件（第一版）
11
CALIPSO卫星简介
美国NASA在1998年与法国国家航天中 心(CNES)合作开始实施“云-气溶胶激光 雷达和红外探测者卫星观测”(CloudAerosols Lidar and Infrared Pathfinder Statellite Observations, CALIPSO)计划。
相互时间间隔最短为15秒，最长为15分钟，最后一颗星 与第一颗星的飞行间隔相差不到23分钟，并且卫星每15 分钟进行一次位置协调。A-Train卫星编队围绕地球旋转， 大约8秒内5颗卫星可以飞过同一检测地点。
《卫星气象学》电子课件（第一版）
9
Aqua卫星简介
2002年5月4日当地时间早晨2时55分，美国地球观测系统 下午星系列第一颗卫星Aqua卫星在美国加里弗尼亚州万 德伯哥空军基地发射成功。 Aqua卫星取名于拉丁文，其 意思是“水”。
4
4.1 A-Train卫星编队
《卫星气象学》电子课件（第一版）
5
极轨卫星与静止卫星
目前的气象卫星主要有极轨气象卫星和静止气象 卫星两大类。
极轨卫星：飞行高度约为600-1500km，空间分辨 率高，每天在固定时间内经过同一地区2次，每隔 12小时可获得一份全球气象资料；时间分辨率较 低，重复观测时间间隔长达16天。
卫星气象学第四章 卫星云图资料的接收和处理
在可见光区，灰度与电压的平方根成正比，即
C 1 2 V
（4）
1，2是由的系数最小二乘法确定
②建立反照率与电压之间的关系
若Csp，Csun是卫星观测宇宙空间和太阳时的灰度，对应的电压为
Vsp，Vsun，由于仪器设计时只允许50%的反射太阳辐射进入卫星 仪器，故反照率与电压的关系为
V=0.5（ Vsun- Vsp）A+ Vsp
在卫星云图上，如果两个相临瞬时视场的反照率或温度相同， 就无法区分它们。但是当这两个相临瞬时视场的反照率或温度有差 异，并达到一定的数值时，这两个视场就能被分辨，这个能分辨两
个相临目标物的最小反照率差值或温度差称之为灰度分辨率或温 度分辨率。
对于红外波段，通常用等效噪声温度差（NE△T）表示。 如果两个相临瞬时视场的温度差越大，则越容易区分它们， 如卷云、积雨云与地面。
②、空间分辨率与卫星观测视场的关系 卫星高度越高，在同样的瞬时视场下，观测面积大，空间 分辨率下降。 ③、空间分辨率与卫星观测视角的关系 卫星观测视角倾斜，观测面积增大，分辨率降低。
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2、温度分辨率或灰度分辨率
瞬时视场观测点面积为△S
S
1
S
COS( )
COS
1
(
)
l2 h2
S0
或
S
பைடு நூலகம்R2 h2
sin2 sin2 COS(
)
S0
式中
sin1[( R h) sin]
R
S
l2 h2
S0
卫星斜视与正视时的地面分辨率
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光谱响应函数通常是规一化的，即
(,)d 1 0
如果入射到卫星仪器的辐射为L（），考虑仪器 的光谱响应，则对卫星仪器的探测器有响应辐射为
L() (, )L()d 0
式中L（）是仪器的探测器对入射辐射的响应辐射。
2、等效噪声功率NEP
是指探测器产生的信噪比为1所需的辐射功率，或是投射 到探测器上的辐射，使仪器产生的均方根电压等于探测器本身 均方根噪声电压的辐射功率，即
NEP EAd
Vn
Vs
或是NEP EAdVn Vs
式中Vn是探测器输出噪声电压的均方根值，它表示了信号与噪 声的关系，当NEP>1，表示信号大于噪声。
3、等效噪声温度差NE△T
②、空间分辨率与卫星观测视场的关系 卫星高度越高，在同样的瞬时视场下，观测面积大，空间 分辨率下降。 ③、空间分辨率与卫星观测视角的关系 卫星观测视角倾斜，观测面积增大，分辨率降低。
2、温度分辨率或灰度分辨率
在卫星云图上，如果两个相临瞬时视场的反照率或温度相同， 就无法区分它们。但是当这两个相临瞬时视场的反照率或温度有差 异，并达到一定的数值时，这两个视场就能被分辨，这个能分辨两
S
1
S
COS( )
1
COS (
)
l2 h2
S0
或
S
R2 h2
sin2 sin2 COS (
)
S0
式中
sin1[( R h) sin]
R
S
l2 h2
S0
卫星斜视与正视时的地面分辨率
卫星探测与空间分辨率的关系
①、空间分辨率与卫星观测视场的关系
瞬时视场（IFOV）
IFOV =2tan-1（W/2f）
W/f 地面瞬时视场（GIFOV）
GIFOV =2htan[IFOV/2]
=Wx（W/f）
=W/m 式中m是放大倍数
m=f/h
探测器宽度W 光学系统
瞬时视场 （IFOV）
地面瞬时视场 （GIFOV）
焦距f 图象空间
高度h 大气 地面
瞬时视场观测点面积为△S
个相临目标物的最小反照率差值或温度差称之为灰度分辨率或温 度分辨率。
对于红外波段，通常用等效噪声温度差（NE△T）表示。 如果两个相临瞬时视场的温度差越大，则越容易区分它们， 如卷云、积雨云与地面。
红外云图的分辨率还与目标物的温度有关，如目标物的
温度为300k时，NE△T0.3k，而当目标物的温度为185k时
瞬时视场：从卫星到观测地表面积之间构成的空间立 体角。
像素：卫星从某时刻到观测到的辐射就是与瞬时视场 相应的地表小块面积内所有物体反射或发射的辐 射的总合，这小块面积称做像素。像素是构成云 图的最小单位。
由于卫星的瞬时视场很小， 所以在星下点处地面可分辨面积 的直径与瞬时视场间的关系可近 似写为
d0=hxL
为了识别地面目标物的细微特征，卫星探测空间分辨率要高，这 就要求卫星观测时的瞬时视场要小，但这样一来，进入卫星仪器的辐 射能减小，可能造成探测仪器没有响应，不能达到探测目的。因此，
为了提高空间分辨率，要提高仪器的灵敏度。对一定仪器的探 测灵敏度瞬时视场不能任意地小。一般VIS波段的辐射能远大 于IR，因此在同样瞬时视场情况下，在VIS波段探测的空间分 辨率大于IR波段探测的空间分辨率。
是指目标物温度的改变而引起投射到探测器的辐射功率的 改变正好等于等效噪声功率的温度差。或是目标物温度的改变引 起的响应正好等于探测器输出端的均方根噪声电压。
4、探测度D和探测灵敏度D
探测度表示每瓦辐射功率所能获得的均方根信号噪声电压比， 它是NEP的倒数。
D 1 NEP
探测灵敏度表示单位面积为1cm2，带宽为1GHZ时的探测度， 即
第四章 气象卫星资料的接收和处理
当前 卫星 观测 地球 -大 气采 用的 观测 方式
主动 观测 方式
重量重 耗能大
被动 体积小 观测 重量轻 方式 耗能小
气象雷达
非 扫
照相机
描 摄象机
仪
扫 成像辐射仪 描 非成像辐射仪 仪 成像非成像
第一节 卫星观测仪器的基本特征 一、卫星仪器的组成
扫描仪 光学系统 探测器 信号处理和信号输出系统
1
D
D(Ad f
1
)2
Vs ( Ad f Vn EAd
)2
5、信噪比 信号与噪声之比，定义为
S E()d
SNE N 0 NEI ()
式中E（）是入射至接收孔径处的光谱辐照度；NEI （）是等效噪声照度。
三、卫星探测的分辨率
1、空间分辨率：是指卫星在某一时刻观测地球的最小面 积。卫星的瞬时视场决定了卫星的空间分辨率。 空间分辨率可以由卫星观测到的最小面积直 径表示，单位为km。 空间分辨率也可以用卫 星的瞬时视场角 表示，单位为弧度。
辐射信息 采集系统
辐射信息收 集转递系统
辐射（光） 电转换系统
电信号处理 和发送系统
扫描 观测 驱动 装置
辐射能收 集的光学 系统，包 括：光栅 ，聚焦装 置等
感应辐射 能，并将 辐射能转 换为电信 号。分量 子、热探 测器两种
对探测 器信号 进行放 大、模 /数转 换等处 理
将处理 好的信 号发送 给天线 或记录 到存储 设备中
NE△T1.4k
3、时间分辨率
指卫星对同一地区观测的时间间隔。其与卫星的 扫描速率、扫描区域和选用的卫星轨道有关。
4、空间、灰度/温度、时间分辨率之间的关系
空间分辨率、灰度/温度分辨率、时间分辨率三者 是相互制约的。
低的空间分辨率，即较大的瞬时视场可以换取较 好的灰度/温度分辨率、时间分辨率。
当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率 与仪器的扫描速度有关，仪器的扫描速度慢时，对目 标物停留的时间长，就能接收到更多的辐射能，从而 具有较高的温度分辨率，反之若要提高卫星的观测速 度，必然会牺牲温度分辨率。
二、表征辐射仪的几个参数
1、响应度R和光谱响应函数
响应度R：指每单位输入功率的探测器输出的大小，为输 出信号电压或电流与入射功率之比，写为
R Vs EAd
Vs是输出电压信号，E是辐照度，Ad为探测器的面积。
光谱响应函数：由于卫星是在一定波长间隔内测量，在 这波长间隔内，响应度随波长而变，这种以波 长为函数的辐射响应称之为光谱响应函数，常 表示为